实验一机械能转化实验指导书(含演示操作)精要.doc

机械能转化演示实验一、实验目的 1.观测动、静、位压头随管径、位置、流量的变化情况，验证连续性方程和柏努利方程。 2.定量考察流体流经收缩、扩大管段时，流体流速与管径关系。 3.定量考察流体流经直管段时，流体阻力与流量关系。 4.定性观察流体流经节流件、弯头的压损情况。 二、基本原理 化工生产中，流体的输送多在密闭的管道中进行，因此研究流体在管内的流动是化学工程中一个重要课题。任何运动的流体，仍然遵守质量守恒定律和能量守恒定律，这是研究流体力学性质的基本出发点。 1.连续性方程 对于管内流动的质量守恒形式表现为如下的连续性方程： （1－） 根据平均流速的定义，有 （1－2） 而对均质、不可压缩流体，，则式（1－2）变为 （1－） 可见，对均质、不可压缩流体，平均流速与流通截面积成反比，即面积越大，流速越小；反之，面积越小，流速越大。 对圆管，，为直径，于是式（1－）可转化为 （1－） 2.机械能衡算方程 运动的流体除了遵循质量守恒定律以外，还应满足能量守恒定律，依此，在工程上可进一步得到十分重要的机械能衡算方程。 对于均质、不可压缩流体，在管路内稳定流动时，其机械能衡算方程（以单位质量流体为基准）为： （1－） 显然，上式中各项均具有高度的量纲，称为位头，称为动压头（速度头），称为静压头（压力头），称为外加压头，称为压头损失。 关于上述机械能衡算方程的讨论： （1）理想流体的柏努利方程 无黏性的即没有黏性摩擦损失的流体称为理想流体，就是说，理想流体的，若此时又无加功加入，则机械能衡算方程变为： （1－） 式（1－）为理想流体的柏努利方程。该式表明，理想流体流动过程中，机械能。 （2）若流体静止，则，，，于是机械能衡算方程变为 （1－） 式（1－）即为流体静力学方程，可见流体静止状态是流体流动的一种特殊形式。若忽略h1和h2间的沿程阻力，且由于1、2处等高，则有： （1－） 其中，两者静压头差即为1和2差（mH2O） 3.管内流动分析 按照流体流动时的流速以及其流动有关的物理量（例如压力、密度）是否随时间而变化，可将流体的流动分成两类：稳定流动和不稳定流动。连续生产过程中的流体流动，多可视为稳定流动，在开工或停工阶段，则属于不稳定流动。 流体流动有两种不同型态，即层流和湍流可用雷诺准数（Re）来判断。若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示：　 （1－） 式中：Re —雷诺准数，无因次； d —管子内径，m； u —流体在管内的平均流速，m／s； —流体密度，kg／m3； μ—流体粘度；Pa·s。 式（1－）表明，对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流体流速有关。工程上一般认为，流体在直圆管内流动时，当Re≤2000时为层流；当Re4000时，圆管内已形成湍流；当Re在2000至4000范围内，流动处于一种过渡状态，可能是层流，也可能是湍流，或者是二者交替出现，这要视外界干扰而定，一般称这一Re数范围为过渡区。和差说明了直管阻力的存在根据 （1－1） 可推算得阻力系数，然后根据雷诺准数，作出两者λ关系曲线。Re≤2000λ＝64/Re；10000Re5000时，则λ＝0.316/ Re0.25，是一曲线。 5.测速管原理 单管压力计6直接与管壁相连，单管压力计5放在管截面，并使其管口正对着管道中流体的流动方向。 当流体流近前端时，流体的动能全部转化为驻点静压能，故测得的为管位置的冲压能（动能与静压能之和），即 单管压力计6测得为管壁处的静压能，即 由以上两式得，单管压力计5和6之差指示的是5处管路的中心点速度，即最大速度uc，有 （1－1）Re≤2000时，uc＝2u；Re4000时，则是符合1/n方规律。 三、装置流程 该装置为有机玻璃材料的管路系统，通过泵使流体循环流动。管路内径为30mm，节流件变截面处管内径为15mm。1和2